超声波加工培训教学ppt

1、电火花加工和电解加工都只能加工金属 导电材料，无法加工不导电的非金属材 料，而超声波加工不仅能加工硬质合金、 淬火钢等脆硬金属材料，而且更适合加 工玻璃、陶瓷、半导体等不导电的非金 属脆硬材料，同时还可以用于清洗、探 伤等。 一、超声波特性 1、能传递很强的能量，对其传播 方向上的障碍物施加压力，固、液 体中的能量密度要比空气中的声波 高千万倍 2、在液体介质传播时，可在界面 上产生强烈的冲击和空化现象 3、通过不同介质时，在界面上发 生波速突变，产生波的反射和折射 现象 4、在一定条件下，会产生波的干 涉和共振现象 “超声波”这个名词术语，用来描述频率高 于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常

2、 是指频率高于16khz以上的所有频率。超 声波的上限频率范围主要是取决于发生器， 实际用的最高频率的界限，是在5000mhz 的范围以内。在不同介质中的波长范围非 常广阔，例如在固体介质中传播时，频率 为25khz的波长约为200mm；而频率为 500mhz的波长约为0.008mm。 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质 中传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所 以传播时反射、折射、共振及损耗等现象更显著。 在不同的介质中，超声波传播的速度c亦不同; 例如c空气=331ms；c水=1430ms；c铁 =5850ms。 速度c与波长和频率，f 之间的关系可用下式表示： f c 超声

3、波具有下列主要性质： (1)超声波能传递很强的能量 超声波的作用主要是对其传播方向的物体施加压力(声 压)。因此，可用这个压力的大小表示超声波的强度，传 播的波动能量越强，则压力越大。 振动能量的强弱，用能量密度来衡量。能量密度就是 通过垂直于波的传播方向的单位面积上的能量，用符号j 来表示，单位为wcm2 2 )( 2 1 acj 式中 弹性介质的密度(kgm3)； c弹性介质中的波速(ms)； a振动的振幅(mm)； 圆频率(rads)，=2f。 二、超声波加工的原理二、超声波加工的原理 超声波加工（ultrasonic machining，usm）是利用工具端面作 超声频振动，通过磨料悬

4、浮液加工硬脆材料的一种加工方法 超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超 声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。 加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工 具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电 振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到 0.010.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫 使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击 抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上 被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击 16000次以上，所以仍存在一定的

5、加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和 空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而 液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及 时得到更新。 由于超声波的频率很高，其能量密度可达100wm2以上。超声波 在液体或 固体中传播时，由于介质密度和振动频率f 比空气中传 播声波时高许多倍，因此同一振幅时，液体、固体中的超声波强度、 功率、能量密度要比空气中的声波高千万倍。 超声发生器将交流电转变为超声电振 荡 换能器将电振荡转变为机械振动 变幅杆将振幅放大至0.050.1mm， 驱动工具作超声振动 工具推动磨料高速撞击、抛磨工件， 击碎

6、工件表面材料，并使之去除 工作液产生的液压冲击波和空化作用 加快了表面材料的裂纹扩展和破坏 超声波加工是机械撞击、抛磨、空化 作用的 综合结果。 三、超声波加工的特点 1、加工范围广 可加工一些传统难加工的金属与非金属材 料 适合深小孔、薄壁件、细长杆等低刚度零 件的加工 适合高精度、低表面粗糙度等精密零件的 精密加工 2、切削力小、切削功率消耗低 由于超声波加工主要靠瞬时的局部冲击作用，故 工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热 更小 3、工件加工精度高、表面粗糙度低 4、易于加工各种复杂形状的型孔、型腔和成形表 面等。 5、工具可用较软的材料做成较复杂的形状 6、超声波加工设备结构一般

7、比较简单，操作维修 方便 1、超声发生器 作用：将工频交流电转变为具有一定功率 输出的超声频电振荡 要求：输出的功率和频率在一定范围内连 续可调 2、声学部件 作用：将超声波发生器输出的高频率电能转变为 机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作高频率、 小振幅振动以进行超声加工。 组成：换能器、变幅杆和工具 1）换能器 作用：将超声频电振荡信号转换为超声频机械振 动 分类：压电式换能器（利用压电效应） 磁致伸缩式换能器（利用磁致伸缩效应） 压电效应 石英晶体、钛酸钡陶瓷等在外力变形时， 在界面上产生电势 铁、钴、镍及其合金的长度能随其所处的 磁场强度的变化而伸缩的现象 2）变幅杆 作用：将换能器获

8、得的超声振动振幅加以扩大， 以达到加工所需的振幅 分类： 锥形扩大比较小 （510倍） 指数形扩大比中等 （1020倍），难制造 阶梯形扩大比大 （20倍以上），易制造 扩大振幅的原因 通过变幅杆任一截面的振动能量不变 截面越小，能量密度越大，振动振幅也就 越大 能量密度与振幅的平方成正比 3）工具 作用：推动磨料和悬浮液冲击工件表面，加工出 形状和尺寸 形状和尺寸：取决与被加工表面的形状和尺寸， 它们相差一个“加工间隙” 材料： 45钢、碳素工具钢一般硬脆材料 硬质合金、淬火钢加工精度高 金刚石镀覆特殊要求 4、磨料工作液及其循环系统 1）工作液 常用、效果较好水 表面质量要求高煤油或机油

9、2）磨料 碳化硼、碳化硅或氧化铝 生产率要求高颗粒大 加工精度、表面质量要求高颗粒小 3）循环系统 小型加工设备人工浇注，定期更换 大型加工设备流量泵自动供给 工具、变幅杆尺寸较大在其中开孔，由孔内抽吸 一、超声波加工工艺参数（工艺参数） 1、加工速度及其影响因素 加工速度指单位时间内去除材料的多少， 以mm3/min或g/min为单位来表示 影响加工速度的因素主要有工具的振幅和 频率、进给压力、磨料的种类和粒度、被 加工材料、磨料悬浮液的浓度 1）工具振幅和频率的影响 过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅 杆承受很大的内应力，振幅一般在 0.010.1mm之间，频率在 1600025000h

10、z 在实际加工中需根据不同工具调至共振频 率以获得最大振幅，从而达到较高的加工 速度 2）进给压力的影响 加工时工具对工件应有一个适当的进给压 力。 压力过小时，工具端面与工件加工表面间 的间隙增大，从而减少了磨料对工件的锤 击力 压力增大，间隙减少，当间隙减少到一定 程度则会降低磨料与工作液的循环更新速 度，从而减低生产率。 3）磨粒种类和粒度的影响 加工时针对不同强度的工件材料可选择不 同的磨料 磨料强度愈高，加工速度愈快，但要考虑 价格成本 加工宝石、金刚石等超硬材料，必须选用 金刚石；加工淬火钢、硬质合金，应选碳 化硼。加工玻璃、石英和锗、硅等半导体 材料，选用氧化铝磨料。 4）被加工

11、材料的影响 被加工材料愈硬脆，则承受冲击载荷的能 力愈低，愈易被去除加工，反之，韧性愈 好，愈不易加工 5）磨料悬浮液浓度的影响 磨料悬浮液浓度低，加工间隙内的磨粒少， 特别是在加工面积大、深度较大时可能造 成加工区局部没有磨料，使加工速度大大 降低 磨料浓度的增加，加工速度也增加，但浓 度太高，磨粒在加工区域内的循环运动和 对工件的撞击运动受到影响，又会导致加 工速度降低。 2、加工精度及其影响因素 超声波的加工精度，除了机床、夹具精度 影响外，主要与磨粒粒度、工具精度及其 磨损情况、工具横向振动大小、加工深度、 被加工材料性质有关。 3、表面质量的影响 超声波加工具有良好的表面质量，不会产

12、生 表面变质层和烧伤，其表面粗糙度主要与磨 粒尺寸、超声波振幅大小和工件材料硬度有 关 磨粒尺寸愈小，超声振幅愈小，工件材料愈 硬，生产率愈低，表面粗糙度愈会得到明显 改善，因为表面粗糙度值主要取决于每颗磨 粒每次捶打工件材料所留下的凹痕的大小和 深浅。 4、超声波加工的应用 超声波加工的生产率虽然比电火花加工和电 解加工低，但其加工精度和表面质量都优于 它们。 而且可以加工难以加工的半导体和非金属的 硬脆材料 对于电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金 冲模、拉丝模等，最后还经常用超声波抛磨、 光整加工，使表面粗糙度进一步降低 1）型孔和型腔的加工 2）切割加工 对于难以用普通加工方法切割的脆硬材料 如陶瓷、石英、硅、宝石等用超声波加工 具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、 经济性好等优点。 3）超声波清洗 其原理主要是基于清洗液在超声波作用下产生 空化效应的结果。空化效应产生的强烈冲击液 直接作用到被清洗的部位，使污物遭到破坏， 并从清洗表面脱落下来。 应用：主要用于几何形状复杂、清洗质量要求 高而用其它方法清洗效果差的中小精密零件， 特别是工件上的深小孔、微孔、弯孔等部位的 静精洗。 4）复合加工 采用超声波加工硬质合金、耐热合金等硬 质合金时加工速度低，工具损耗大，为了 提高加工速度和降